Тема 9. Основні поняття про нанотехнології

 

Галузь науки і техніки, під назвою нанотехнологія, як і відповідна термінологія, з'явилися порівняно недавно. Оскільки все нове і перспективне часто популяризується в суспільстві, то прифікс "нано" з рекламною метою стали використовувати всі, навіть у тих областях, де і немає жодного відношення. Насправді "нано" означає одну мільярдну (10–9) частку чого-небудь. Наприклад, нанометр – одна мільярдна частка метра. Саме такими є, за порядком величини, розмірів окремих молекул (тому часто нанотехнологію називають також молекулярною технологією). Для порівняння, людська волосина приблизно в шістдесят тисяч разів товстіша за одну молекулу.

Ерік Дрекслер, якому належить фундаментальна праця "Машини витвору", вважається піонером в області нанотехнологій. У своїй роботі він в дуже переконливою і яскравій формі доводить реальність існування наномашин, названих їм – асемблера, і описує основні проблеми та перспективи розвитку майбутніх нанотехнологій. Зокрема, він розглядає проблему так званих "мімів" (англ. "meme") – відтворюються уявних структур, або ідей, схильних, подібно живим істотам, законам еволюції, а саме: боротьбі за існування і прагненню до розмноження. Він каже: "приклади мімів – мелодії, ідеї, загальновживані вирази, мода в одязі, способи виробництва горщиків і споруди арок. Так само, як гени розмножуються в середовищі генів, перескакуючи від тіла до тіла (від покоління до покоління) через сперматозоїди і яйцеклітини, так само і міми розмножуються в середовищі мімів, передаючи з мозку в мозок за допомогою процесу, який в широкому сенсі може називатися імітацією.

Відповідно, нанотехнології визначаються як сукупність методів і прийомів маніпулювання речовиною на атомному і молекулярному рівнях з метою виробництва кінцевих продуктів з наперед заданої атомної структурою.

Не зайвим буде нагадати читачам, що атом – (від грец. "Atomos" – "Неділимий") – це дрібна частка хімічного елемента, носій його властивостей, здатний утворювати з атомами того ж елемента або інших елементів більш складні хімічні комплекси – молекули. Кількість атомів в молекулах може коливатися від декількох одиниць до десятків тисяч.

Звертаємо вашу увагу на те, що "дослівний переклад" слова "атом" неділимий, і насправді атом складається з позитивно зарядженого ядра і рухаються навколо нього негативно заряджених електронів. Однак, оскільки цей термін був введений в обіг ще в V столітті до н.е. давньогрецьким філософом Демокритом, то і після відкриття субатомних частинок, він був залишений без зміни.

Самий цікава і перспективна відповідь на це питання про нову технологічну революцію, була запропонована Еріком Дрекслером, в його монографії "Машини витвору". Для вирішення проблеми маніпулювання атомами він ввів поняття спеціальних пристроїв – наномашин або асемблерів.

Щоб уявити собі ці машини, потрібно спочатку дати наочне уявлення про молекули. Ми можемо зобразити атоми як намистинки, а молекули як групи намистинок, з'єднані між собою кусочками нитки. Насправді, хіміки іноді зображують молекули наочно, будуючи моделі з пластмасових намистин (деякі з яких пов'язані в декількох напрямах чимось, подібним спицям). Атоми мають круглу форму подібно намистинок, і хоча молекулярні зв'язок – не кусочки нитки, наша візуальна модель, як мінімум, дає важливе уявлення про те, що зв'язки можуть бути порвані і відновлені.

Наномашини повинні вміти захоплювати окремі атоми або молекули і з'єднувати їх між собою, причому не хаотично, а відповідно до заданого наперед алгоритмом. Важливо відзначити, що такі машини вже тисячі років чудово функціонують в природі, і прикладом їхньої роботи може служити механізм біосинтезу білка рибосомами. З курсу загальної біології ви повинні пам'ятати яким чином молекула рибосоми конструює білок, "зчитуючи" з молекул РНК "інформацію" для побудови білка певного виду.

Можливості використання нанотехнологій невичерпні – починаючи від "проживають" в організмі нанокомп'ютерів, що вбивають ракові клітини і ремонтують пошкоджені тканини і органи і закінчуючи автомобільними двигунами та не забруднюють навколишнє середовище.

Сьогодні Foresight Institute – базис всієї світової нанотехнології – обіцяє 250.000 $ тому, хто побудує нано-маніпулятор – "руку", яка зможе оперувати на молекулярному рівні і тому, хто створить 8-ми бітний суматор, що уміщається в кубику зі стороною в 50.

Коротко про історію становлення нанотехнологій. Батьком нанотехнології можна вважати грецького філософа Демокріта. Приблизно в 400 р до н.е. він вперше використав слово "атом" для опису найменшої частки речовини.

1905 рік. Швейцарський фізик Альберт Ейнштейн опублікував роботу, в якій доводив, що розмір молекули цукру становить приблизно 1 нанометр.

1931 рік. Німецькі фізики Макс Кнолл і Ернст Руска створили електронний мікроскоп, який вперше дозволив досліджувати нанооб'єктів.

1959 рік. Американський фізик Ричард Фейнман уперше опублікував роботу, в якій оцінювалися перспективи мініатюризації. Основні положення нового напрямку нанотехнологій були намічені в його легендарної лекції "Там внизу – море місця" ("There's Plenty of Room at the Bottom"), виголошеній ним в Каліфорнійському технологічному Інституті. Тоді його слова здавалися фантастикою тільки лише з однієї причини: ще не існувало технології, що дозволяє оперувати окремими атомами на атомарному ж рівні (мається на увазі можливість пізнати окремий атом, взяти його і поставити на інше місце). Щоб стимулювати інтерес до цієї області Фейнман призначив приз в $ 1000, тому, хто вперше запише сторінку з книги на голівці шпильки, що, до речі, здійснилося вже в 1964 році.

1968 рік. Альфред Чо і Джон Артур, співробітники наукового підрозділу американської компанії Bell, розробили теоретичні основи нанотехнології при обробці поверхонь.

1974 рік. Японський фізик Норіо Танігучі ввів у науковий обіг слово "нанотехніки", запропонувавши описувати механізми розміром менше одного мікрона. Грецьке слово "nannos" означає "карлик".

1981 рік. Німецькі фізики Герд Бінніг і Генріх Рорер створили скануючий тунельний мікроскоп – прилад, що дозволяє здійснювати вплив на речовина на атомарному рівні. Чотирма роками пізніше його творці отримали Нобелівську премію

1985 рік. Американський фізики Роберт Керл, Херольд Крото і Річард Смоллі створили технологію, що дозволяє точно вимірювати предмети діаметром в один нанометр.

1986 рік. Створення атомно-силового мікроскопа, що дозволяє, на відміну від тунельного мікроскопа, здійснювати взаємодію з будь-якими матеріалами, а не тільки з провідними.

1986 рік. Нанотехнологія стала відома широкій публіці. Американський футуролог Ерік Дрекслер опублікував книгу, в якій передбачав, що нанотехнологія незабаром почне активно розвиватися.

1989 рік. Дональд Ейглер, співробітник компанії IBM, виклав назву своєї фірми атомами ксенону.

1998 рік. Голландскій фізик Сеез Деккер створив транзистор на основі нанотехнологій.

1999 рік. Американські фізики Джеймс Тур і Марко Рід, визначили, що окрема молекула здатна поводитися так само, як молекулярні ланцюжки.

2000 рік. Адміністрація США підтримала створення проекту "Національна Ініціатива" в Області Нанотехнології (National Nanotechnology Initiative). Нанотехнологічні дослідження отримали державне фінансування. Тоді з федерального бюджету було виділено $ 500 млн. У 2002 сума асигнувань була збільшена до $ 604 млн. На 2003 рік "Ініціатива" запросила $ 710 млн. У 2004 році уряд США прийняв рішення збільшити фінансування наукових досліджень у цій області до $ 3,7 млрд. В Протягом чотирьох років. В цілому, світові інвестиції по нано в 2004 році складуть близько $ 12 млрд.

2004 рік. Адміністрація США підтримала створення проекту "Національна Наномедіцінская Ініціатива" як частина National Nanotechnology Initiative Стрімкий розвиток нанотехнологій визначається, насамперед, потребами суспільства у швидкій переробці величезних інформаційних масивів. Сучасні кремнієві чіпи можуть при всіляких технічних хитрощах зменшуватися ще приблизно до 2012 року. Але при ширині доріжки в 40–50 нанометрів настане квантовомеханічна перешкода: електрони почнуть пробивати розділові шари в транзисторах за рахунок тунельного ефекту, про який мова піде нижче, що рівнозначно короткого замикання. Виходом могли б послужити наночіпи, в яких замість кремнію використовуються різні вуглецеві з'єднання розміром в декілька нанометрів. В даний час ведуться самі інтенсивні розробки в цьому напрямку.

Устаткування нанотехнології. Всяка технологія, будь то обробка матеріалу на макро-, мікро- або нанорівнях, не може обходитися без засобів і методів вимірювання відповідних величин. Серед різноманіття вимірювальних приладів, існують спеціальні прилади для вимірювання як великих, так і малих відстаней.

Тому коли всі можливості даного пристрою були вичерпані, вчені почали шукати нові шляхи вирішення поставленого завдання. І ось на початку ХХ століття з'явилася оригінальна ідея вивчати речовину, не збільшуючи досліджувану площу його поверхні, а як би торкаючись до неї. Її реалізації допоміг, відкритий до того часу, тунельний ефект, на підставі якого в 1981 році був створений перший скануючий тунельний мікроскоп (СТМ).

Докладним вивченням СТМ і тунельного ефекту ми займемося пізніше, а поки лише в загальних рисах розкриємо їх суть. Тунельний ефект є принципово квантово-механічним ефектом, які не мають аналога в класичній механіці і тому представляє величезний інтерес для дослідників. Він заснований на корпускулярно-хвильовий дуалізм – подвійну природу елементарних частинок.

З точки зору класичної механіки очевидно, що ніяке матеріальне тіло, що має енергію Е, не може подолати потенційний бар'єр висотою V₀, якщо
V₀ > Е. Наприклад, якщо взяти за матеріальне тіло м'яч, а за потенційний бар'єр – дуже високий бетонний паркан, то зрозуміло, що якщо кинути м'яч у бік паркану недостатньо високо – так, що його енергії не вистачить на подолання висоти стоїть перед ним бар'єру, то він, вдарившись об бетонну перешкоду, відскочить назад.

Однак якщо в якості матеріального тіла розглянути електрон, то виявляється, що навіть якщо висота потенційного бар'єру вище, ніж власна енергія електрона, то він з певною ймовірністю може виявитися з іншого боку бар'єру, лише незначно змінивши свою енергію, як якби в "паркані" виявилася якась "дірка" або тунель.

Робочим органом СТМ – зондом – служить струмопровідна металева голка (в перших варіантах це був вольфрам або сплав платини). Суть його роботи полягав у тому, що зонд підводиться до досліджуваної поверхні на дуже близьку відстань L (≈ 0,5 нм) і, при подачі на зонд постійної напруги, між ними виникає тунельний струм.

Тунельний струм експоненціально залежить від відстані між зондом і зразком. Тому при збільшенні відстані лише на 0,1 нм тунельний струм It зменшуються майже в 10 разів. Це забезпечує високу роздільну здатність мікроскопа, оскільки незначні зміни по висоті рельєфу поверхні викликають суттєва зміна тунельного струму. Підтримуючи струм і відстань постійним за допомогою стежить системи, зонд сканує поверхню, переміщаючись над нею по осях X і Y, то опускаючись, то піднімаючись в залежності від рельєфу досліджуваної поверхні.

Тунельний мікроскоп дозволив вченим дослідити поверхні на атомному рівні. Однак цей прилад має ряд обмежень. Заснований на тунельному ефекті, він може застосовуватися тільки до вивчення матеріалів, добре проводять електричний струм.

Але прогрес не стоїть на місці, і в 1986 г в лабораторії Цюріхського відділення IВМ були створені мікроскопи другого покоління – атомносилові (АСМ). АСМ теж дозволяє досліджувати поверхні з атомної точністю, але вже зовсім не обов'язково електропровідні. Сьогодні саме він представляє найбільший інтерес для дослідників. Принцип дії атомного силового і тунельного мікроскопів практично однакові, тільки на відміну від СТМ АСМ заснований на використанні сил міжатомних зв'язків. На малих відстанях (близько одного ангстрема, 1 Å = 10^{-10 м) між атомами двох тіл діють сили відштовхування, а на великих – сили тяжіння.}

У скануючому атомному силовому мікроскопі такими тілами служать досліджувана поверхню і ковзне над нею вістря. В якості зонда в АСМ зазвичай використовується алмазна голка. При зміні сили Р, що діє між поверхнею і вістрям, пружинка, на якій воно закріплено, відхиляється, і таке відхилення реєструється датчиком. Величина відхилення пружного елемента (пружинки) несе інформацію про рельєф поверхні.

Подальший розвиток зондової мікроскопії показало, що викладений вище принцип може бути реалізований практично для будь-якого виду взаємодії вістря зонда з поверхнею. Це призвело до створення цілого ряду різних підвидів мікроскопів, що носять спільну назву – скануючі зондові мікроскопи (СЗМ).

Сьогодні найбільш відомі такі різновиди СЗМ: зонди з тунельним ефектом; атомні силові зонди; оптичні зонди ближньої дії; магнітні силові зонди; електростатичні силові зонди та ін.

На сьогоднішній день сучасні СЗМ є основними інструментами нанотехнологій. Завдяки значним удосконаленням, вони дозволяють вивчати не тільки топологію (геометричні властивості) досліджуваних об'єктів, а й масу інших характеристик: магнітні та електричні властивості, твердість, однорідність складу поверхні та ін. і все це з нанометровим просторовим дозволом.

Крім визначення різних параметрів, сучасні СЗМ дозволяють маніпулювати нанооб'єктів, забезпечувати захоплення окремих атомів і перенесення їх у нову позицію, виробляти атомарну збірку провідників шириною в один атом, надаючи тим самим поверхням різних предметів нові потрібні якості.

Існують два основних способи маніпуляції атомами за допомогою голки СТМ – горизонтальний і вертикальний. При вертикальній маніпуляції після захоплення потрібний атом відривають від поверхні, піднімаючи зонд на кілька ангстрем. Процес відриву атома від поверхні контролюють по стрибку струму. Зрозуміло, відрив від поверхні і перетягування вимагає більших зусиль, ніж просто "перекочування" атома по поверхні, як при горизонтальній маніпуляції, але зате потім процес перенесення не залежить від зустрічаються на поверхні зразка перешкод (ступенів, ям, адсорбованих атомів). Після переміщення в потрібне місце атом "скидають", наближаючи вістрі до поверхні і перемикаючи напруга на голці.